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层状硅酸盐矿物的研究进程

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摘要:近年来,层状硅酸盐矿物受到国内外学者的广泛关注,由于具有耐热、耐酸碱、绝缘、强度高、化学稳定性好等优点,被广泛应用于吸附、催化、防腐等研究领域。目前,研究较多的是通过插层反应制备复合材料,其兼有无机主体和客体分子的性质,表现出优于单一组分具有的特性。本文主要综述层状硅酸盐矿物的结构和性质,并重点讨论了层状硅酸盐复合材料的研究现状及应用前景。

关键词:硅酸盐矿物;复合材料;现状;综述

硅酸盐矿物共有548种,约占已知矿物总数的24%,广泛分布于岩石和土壤中。按照其结构的不同,大致分为岛状、环状、链状、层状和架状五大结构类型[1]。已知的层状硅酸盐矿物共有162种,约占硅酸盐矿物中总数的29.56%。层状硅酸盐矿物是若干由硅氧四面体和铝氧八面体按照不同规律连接起来的结构层堆垛而成,不同类型的硅酸盐矿物其硅氧四面体和铝氧四面体构成比例不一样,如蒙脱土[2-3]、白云母[4]均为2∶1型化合物,而高岭土为1∶1型化合物。硅酸盐矿物的插层复合材料主要包括离子复合材料、纳米复合材料和聚合物复合材料,主要应用于催化、防腐、吸附和阻燃等领域。根据其特有的层状结构,层状硅酸盐片层存在大量的可交换离子,可通过离子交换法将无机或有机离子插入片层空间合成离子型复合材料。纳米粒子通过插层反应插入片层化合物层间,获得的纳米复合材料不仅改善了纳米粒子易团聚的现象,同时还可以使其更加稳定[5]。层状硅酸盐与聚合物复合制备高分子复合材料不仅可以改善高分子材料的机械强度和性能差的缺点,而且可以增强耐高温、耐腐蚀的性能。本文主要综述蒙脱土、白云母、高岭土和蛭石4种常见的硅酸盐矿物的研究现状及应用前景。望能对这方面的研究工作者提供参考和指导。

1蒙脱土的研究现状及进展

蒙脱土层板不具有氧化性和耐酸碱性,其层板间仅靠层间阳离子的弱静电作用连接,其为二层硅氧四面体夹一层硅氧八面体构成2∶1型结构层,片层厚度大约为1nm,长度由30nm到几千纳米不等,这种特殊的结构赋予蒙脱土[2]许多特性,比如膨胀性、吸附性、离子交换性、分散性、悬浮性和黏结性等[6]。李玉峰[7]利用聚苯胺本身具有很好的导电性,在蒙脱土层间插入聚苯胺,得到聚苯胺-蒙脱土复合材料,将其用于金属的防腐蚀研究,研究发现聚苯胺-蒙脱土复合材料改善了聚苯胺单一作为防腐蚀材料的不足。黄春等[8]利用聚噻吩的防腐蚀性能,将改性的蒙脱土与噻吩共混,在氧化剂的作用下噻吩在蒙脱土层间发生共聚。该研究对聚噻吩-蒙拓土的结构及性能进行分析并测试该材料对钢片表面防腐性能,研究发现蒙脱土的片层结构延长了氧气和水同金属接触的路径,而另一方面体系具有一定的导电性可避免局部腐蚀。程博等[9]分析了钙基蒙脱土和有机改性的钠基蒙脱土在阻燃方面的应用,结果表明加入钙基蒙脱土的Al(OH)3乙烯-醋酸乙烯酯复合材料热释放更低,形成的碳层隔热效果更好,表现出更优异的性能,分析认为有可能钙基蒙脱土中的钙离子对燃烧成炭具有促进作用。冉诗雅等[10]利用酸碱处理蒙脱土与磷酸酯阻燃剂复配阻燃PC/ABS合金,结果表明酸碱处理的蒙脱土不仅可以改善合金的起始分解温度,还可以增加碳层的稳定性,使第二热释放峰值出现的时间延迟。

2白云母的研究现状及进展

白云母和大部分硅酸盐层状化合物一样,具有层状结构,因此改变其层间环境或层间距成为了许多国内外科研工作者的研究方向[10]。王清淼等[11]利用热处理改善白云母结构的稳定性,然后在高温条件下与LiNO3进行离子交换,改性白云母,证实可以从白云母层间置换出K+,并增大其层间距。刘德春等[12]利用双氧水为膨胀剂,采取加热的方法对白云母进行化学膨胀,使得其层间距从0.912nm增大到0.999nm,膨胀效果显著,再将十六烷基三甲基溴化铵插入层间,本身亲水性的白云母层改性为亲油性,并用XRD、FTIR和TG等对其分析,结果表明其很好的插入白云母层间,得到了小分子有机物插入白云母层间的复合材料。因此,白云母在特殊环境下改性,使得其层间距增大成为可能。改性的白云母与特定性能的材料复合,可获得具有不同功能的复合材料。韩璐[13]利用硝酸锂与白云母共融,利用Li+置换出层间的K+,得到层间距增大的白云母。然后通过离子交换将CTAB插入白云母层间,得到复合材料,用于吸附亚甲基蓝,使得其原始吸附量从3.2953mg/g升至7.0342mg/g,表明十六烷基三甲基溴化铵插入微晶白云母层间,得到的复合材料用于吸附,不仅考虑了白云母本身结构特性用于吸附有机染料,同时根据相似相溶原理,层间由于十六烷基三甲基溴化铵的存在,使原来对有机物吸附呈惰性的微晶白云母层间环境得到了改变,改善了白云母对亚甲蓝吸附性能。由于聚噻吩的共轭电子对效应,使得其具有大多数高分子不具有的导电的特性。凌英等[14]利用聚噻吩的导电性,白云母的耐蚀性,合成聚噻吩-白云母复合材料。该复合材料具有聚噻吩良好的光学、电学和环境稳定性,电导率也可以从绝缘体到良导体之间变化的特性,同时也利用了白云母具有很好的热力学、机械、耐酸碱腐蚀等优异性能。噻吩在白云母层间发生共聚,并对该复合材料对金属钢片的防腐蚀进行研究,结果表明该材料对金属钢片的防腐效果良好,是两种物质共同发挥作用的结果。针对硬质PVC普遍存在性脆、韧性差、耐热性及热稳定性差的缺陷,周世一等[15]以白云母粉体矿物为填料,硅烷偶联剂KH-550为表面修饰剂,核壳型ACR树脂为抗冲改性剂,PVC树脂为材料基体,采用熔融共混法制备了微晶白云母/ACR/PVC复合材料,研究认为该复合材料的力学性能、抗冲压性能、耐热性能,延缓老化相对单一的材料有明显的提升。袁西强等[16]以天然微晶白云母作为矿物载体,钛酸丁酯作为钛源,硝酸铜为掺杂离子,采用溶胶-凝胶法制备了复合型光催化剂。由于微晶白云母层状结构,使得其表面负载纳米TiO2颗粒可以形成多层结构,增强了对亚甲基蓝的降解效率。

3高岭土的研究现状及进展

与蒙脱土和白云母结构不同,高岭土为典型的二八面体1∶1型层状铝硅酸盐矿物,它的结构单元层由SiO4四面体和AlO6八面体沿c轴堆垛而成,单元层厚度为0.717nm,层间由氢键构成。王美荣等[17]在不同温度下对偏高岭土进行处理,用XRD和拉曼光谱(Ramanspectra)分别分析物相变化和温度对其活性的影响,结果发现在738~900℃范围内对其进行热处理,随着温度的升高,其活性逐渐增大,为进一步处理高岭土奠定了基础。张永利等[18]利用煅烧、酸浸的方法对高岭土进一步改性,并利用SEM等技术手段表征其对Cr(Ⅵ)的吸附能力研究,同时确定最优吸附条件。研究发现经过改性的高岭土对Cr(Ⅵ)的吸附能力得到增强,该方法对日益严重的环境污染具有现实应用价值。

4蛭石的研究现状及进展

蛭石与其它片层硅酸盐结构相似,具有良好的阳离子交换性、吸附性和膨胀性等特点。近年来,对蛭石及其改性的研究得到广泛的关注。吴平霄[19]利用溴化十六烷基三甲基溴化铵和溴化十六烷基吡咯改性插层蛭石对苯酚和氯苯二种非离子型环境污染物进行吸附性能研究,相比原矿对二种有机污染物的吸附能力,经过改性后的蛭石对苯酚和氯苯的吸附能力大大提高。朱建喜等[20]利用溴代十六烷基吡咯、磷酸对膨胀蛭石和未膨胀蛭石进行了改性处理,分析在不同含水量的蛭石对有机分子进入层间的难易的影响,结果发现其含水量虽然对有机分子进入层间具有影响,但由于有机分子具有较强的交换能力,对其影响不是太大。李晖等[21]对蛭石对重金属离子Cd(Ⅱ)的吸附进行了研究,将蛭石作为吸附剂装填吸附柱用于重金属离子Cd(Ⅱ)的连续吸附,结果表明该吸附剂具有吸附速度快,吸附容量大的优点,另外,用酸改性后的蛭石可以增强对重金属离子Cd(Ⅱ)的吸附能力。

5结语

本文主要综述了蒙脱土、微晶白云母、高岭土和蛭石4种层状硅酸盐矿物的研究现状及进展。(1)层状硅酸盐矿物因其独特的结构,经过国内外科研工作者对硅酸盐矿物研究,将其通过与其它化合物结合,提升了无机层状化合物在现实中的应用价值。(2)硅酸盐复合材料具有特定功能的新型材料,主要用于金属防腐,环境治理、光催化等领域。因此,对层状硅酸盐矿物的改性研究,成为当前无机材料研究的重要方向之一。

参考文献

[1]印万忠.硅酸盐矿物晶体化学特征与表面特性及可浮性关系的研究[D].沈阳:东北大学,1999.

[2]赵保林,那平,刘剑锋.改性蒙脱土的研究进展[J].化学工业与工程,2006,23(5):453-457.

[5]郭文姬,赵彦钊,王兰.蒙脱石制备插层复合材料的研究进展[J].陶瓷,2011(11):45-47.

[6]程博,李定华,杨荣杰.不同蒙脱土对EVA/ATH复合物阻燃性能和热行为的影响//全国高分子学术论文报告会[C].2015.

[7]李玉峰.聚苯胺/蒙脱土复合防腐蚀涂层的制备及性能研究[D].西安:西北师范大学,2005.

[8]黄春.聚噻吩/蒙脱土导电复合材料的制备及其性能研究[D].成都:成都理工大学,2014.

[9]冉诗雅,许远远,郭正虹,等.酸碱处理蒙脱土与磷酸酯阻燃剂复配阻燃PC/ABS合金[J].高等学校化学学报,2013,34(2):467-473.

[11]王清淼,贾菲菲,宋少先.高温及离子交换对天然白云母晶体结构的影响[J].非金属矿,2016(1):78-80.

[12]刘德春,熊小丽,黄晓英,等.白云母的化学膨胀性及插层性能研究[J].非金属矿,2009,32(3):7-9.

[13]韩璐.有机插层微晶白云母的制备及其吸附性能研究[D].成都:成都理工大学,2009.

[14]凌英.聚噻吩/微晶白云母导电矿物复合材料研究[D].成都:成都理工大学,2016.

[15]周世一.微晶白云母的表面修饰及其与核-壳型ACR共同改性PVC材料的研究[D].成都:成都理工大学,2011.

[16]袁西强.微晶白云母负载Cu2+掺杂n-TiO2光催化材料的制备及性能研究[D].成都:成都理工大学,2016.

[17]王美荣,林铁松,何培刚,等.热处理温度对偏高岭土活性的影响及其表征[J].硅酸盐通报,2010,29(2):268-271.

[18]张永利,朱佳,史册,等.高岭土的改性及其对Cr(Ⅱ)的吸附特性[J].环境科学研究,2013,26(5):561-568.

[19]吴平霄.有机插层蛭石对有机污染物苯酚和氯苯的吸附特性研究[J].矿物学报,2003,23(1):17-22.

[20]朱建喜,胡大千,何宏平.层间水含量对蛭石有机改性影响的研究[J].矿物学报,2001,21(3):464-466.

[21]李晖,谭光群,彭同江.蛭石对Cd(Ⅱ)的动态吸附研究[J].化学研究与应用,2000,12(6):661-663.

作者:殷洪国;罗青松;韩世虎 单位:成都理工大学材料与化学化工学院

层状硅酸盐矿物的研究进程责任编辑:张雨    阅读:人次
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